Прямое и косвенное действие ионизирующего излучения

Биологическое действие ионизирующего излучения

В процессах взаимодействия ио­низирующих излучений с веществом энергия излучений передается атомам и молекулам окру­жающей среды, в том числе клеток, тканей организмов. На следующим за этим физическим этапом химическим этапом лучевого поражения клетки происходят первичные радиационно-химические изменения молекул. Различают два механизма, обозначаемые как прямое и косвенное действие радиации.

Под прямым действием понимают такие изменения, которые возни­кают в результате поглощения энер­гии излучения самими исследуемы­ми молекулами («мишенями»). Под косвенным действием понимают изменения молекул в растворе, вызванные продуктами радиационного разложения (радиолиза) воды или растворенных веществ, а не энергией излучения, поглощенной самими исследуемыми молекулами (рис. III.1).

При косвенном действии наиболее существен процесс радиолиза воды, составляющей основную массу (до 90 %) вещества в клетках. При радиолизе воды молекула ионизируется заряженной частицей, те­ряя при этом электрон:

→ H₂O→H₂O⁺ + е ^-

Ионизированная молекула воды реагирует с другой нейтральной молекулой воды, в результате чего образуется высоко реактивный радикал гидроксила ОН'

H₂O⁺ + H₂O→H₂O⁺ + ОН'

«Вырванный» электрон очень быстро взаимодействует с окружающими молекулами воды; возникает сильно возбужденная молекула H₂О*, которая, в свою очередь, диссоциирует с образованием двух радикалов: Н’ и ОН'

H₂O⁺ + е ^- → H₂О*→ Н’ + ОН'

Эти свободные радикалы содержат неспаренные электроны и потому отличаются чрезвычайно высокой реакционной способностью. Время их жизни в воде не более 10^-5 с. За этот период они либо ре комбинируют друг с другом, либо реагируют с растворенным субстратом. Сле­довательно, и второй этап радиационного поражения — первичные хи­мические изменения — протекает практически мгновенно.

Рис. III.1. Прямое (/) и косвенное (//) действия ионизирующего излучения на клетку:

черным кружком обозначена мишень, волнистой стрелкой — излучение, пунктир­ной стрелкой — диффузия свободных ра­дикалов к молекуле-мишени

Рис. III.2. Продукты радиолиза воды:

тонкими стрелками показаны возможные реакции гидратироваиного электрона

В присутствии кислорода образуются и другие продукты радиолиза, обладающие окислительными свойствами: гидропероксидный радикал пероксид водорода H₂O₂ и атомарный кислород:

Кроме этих окислительных продуктов в процессе радиолиза воды возникает стабилизированная форма электрона — гидратированные электроны (e^-·aq). Они также обладают высокой реакционной способ­ностью, но уже в качестве восстановителя, а потому реагируют с про­дуктами радиолиза и другими легко восстанавливающимися вещества­ми, в частности с дисульфидными группами. Другим восстановителем, образующимся в процессе радиолиза воды, является атомарный водо­род. Процесс радиолиза воды схематически представлен на рис. III.2.

В клетке организма в аналогичной ситуации процесс протекает зна­чительно сложнее, чем при облучении воды, так как поглощающим ве­ществом здесь служат крупные органические молекулы, повреждае­мые прямым действием радиации либо продуктами радиолиза воды. Возникающие при этом органические радикалы также обладают не спаренными электронами, а, следовательно, крайне реакционноспособны. Располагая большим количеством энергии, они легко могут привести к разрыву химических связей в жизненно важных макромолекулах. Именно этот процесс и происходит чаще всего в промежутке между образованием ионных пар и формированием конечных химиче­ских продуктов.

Кроме того, биологический эффект облучения усиливается за счет кислорода, который всегда присутствует в среде и обладает сенсибили­зирующим действием (см. ниже).

Упрощенная схема первичных физико-химических процессов, при­водящих в финале к конечному биологическому эффекту, выглядит следующим образом

Следует иметь в виду, что изменения облучаемого субстрата в клет­ке, возникающие на каждом из этапов, не всегда являются оконча­тельными. Как правило, эти изменения на молекулярном уровне но­сят промежуточный характер, и конечный результат в каждом конкрет­ном случае не может быть предсказан, так как наряду с повреждением может произойти и репарация (восстановление) исходного состояния.

Для растворов ферментов установ­лено, что при заданной дозе облучения абсолютное число инактивированных молекул не зависит от их концентрации, так как в системе об­разуется постоянное для данной дозы количество способных про­реагировать водных радикалов.

При косвен­ном действии независимо от разведения раствора абсолют­ное число поврежденных молекул остается постоянным, а доля их от общего числа изменяется обратно пропорцио­нально их концентрации.

В отличие от косвенного, при прямом действии число инактивированных молекул при заданной дозе увеличивается пропорцио­нально концентрации раствора, а доля от общего числа молекул остается постоянной (рис. III.3).

Рис. III.3. «Эффект разведения» (А, Б). Зависимость степени инактивации фермента или вируса от концентрации его в рас­творе при прямом (I) и косвенном (II) действии излучения (по 3. Баку, П. Александеру)

Эффект разведения оказался весьма существенным для различ­ных систем in vitro, таких, как растворы макромолекул, вирусов, фагов и т. д. Однако он неприменим при работе с крупными клетками: при разбавлении суспензии величина повреждающей дозы не уменьшает­ся. Из этого не следует, что действие излучения на клетки оказывается прямым, так как разведение не затрагивает содержимого клеток, а сводится лишь к увеличению между ними количества воды, радикалы второй прореагировали между собой, не проникнув в клетку на доста­точную глубину.

Между первичным поглощением энергии и конечным химическим изменением облучаемого субстрата существует много стадий, на каждой из которых, как упоминалось, возможна реверсия.

Следовательно, для клетки пока не известна корректная возмож­ность, непосредственно оценить относительную роль прямого и косвенного действия ионизирующих излучений.

Данные некоторых экспериментов на вирусах позволяют предпола­гать, что при облучении клеток прямое действие играет если не основ­ную, то, во всяком случае, весьма существенную роль. В пользу этого вывода приводят два довода.

Косвенное действие при облучении раствора ДНК проявляется при ее содержании менее 2 %, тогда как в ядре клетки ДНК составляет 10 % и более.

При облучении in vivo появление одного и того же количества повреждений молекул ДНК наблюдается при дозах, на два-три поряд­ка превышающих те, которые вызывают повреждение этих молекул при облучении в разбавленных растворах. Снижение эффективности облучения in vivo объясняют тем, что большая часть продуктов радио­лиза воды поглощается клеточными метаболитами и не доходит до биологически активных макромолекул, иначе говоря, имеет место защит­ное действие примесей. Так, например, трансформирующая способ­ность ДНК пневмококков, экстрагированной после их облучения, не изменялась даже при дозе 1000 Гр. Инактивирующая доза для сухих препаратов этой ДНК оказалась равной 700 Гр, а при облучении ДНК в разбавленном растворе инактивация трансформирующего фактора наблюдалась уже при дозе 10 Гр.

На основании этих данных можно было полагать, что явления, вызы­ваемые косвенным действием ионизирующего излучения, при инактивации ДНК играют незначительную роль. Однако недавно (1986) проведенный Ю. Н. Корыстовым анализ методов оценки вклада косвен­ного действия радиации в гибель клеток показал, что ни один из них не свободен от артефактов, искажающих оценку. При сведении этих артефактов к минимуму путем соблюдения оптимальных условий опыта, согласно оценкам автора, полный вклад косвенного действия дости­гает 90% и является определяющим в инактивации клетки ионизи­рующим излучением.

Тем не менее, крайние точки зрения относительно преобладания прямого или косвенного действия радиации на ДНК в составе клеток вряд ли можно считать однозначными и общими для всех видов клеток.

Что понимают под прямым и косвенным действием излучения?

Назовите первичные радиационно-химическне процессы, возникающие в облученных растворах.

Какова относительная роль прямого и косвенного действия излучения в лучевом поражении клетки?